(57)【要約】【課題】  緩和振動の影響を軽減した半導体レーザ駆動回路の提供。【解決手段】  トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２はカレントミラー回路を形成しており、トランジスタＴｒ１に流れる電流がトランジスタＴｒ２に複製されて半導体レーザ２に流れる。半導体レーザ２の電流Ｉ１は、スイッチＳ２をオンにしたときに流れるバイアス電流Ｉ２と、スイッチＳ１をオンオフしたときに流れるパルス状の電流Ｉ３が重畳したものとなる。半導体レーザの駆動トランジスタＴｒ４〜Ｔｒ６は立ち上がり特性が異なり、半導体レーザの光出力に緩和振動を検知すると、スイッチＳ３〜Ｓ５によりトランジスタＴｒ４〜Ｔｒ６の接続を切り替える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、立ち上がり特性が異なる複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタから前記半導体レーザにパルス状の駆動電流を供給するトランジスタを選択する手段と、前記半導体レーザの光出力を検出する手段と、前記光出力に発生した緩和振動を検知する手段と、前記緩和振動を検知した際に前記トランジスタの選択を切り替える信号を出力する制御手段とを具備することを特徴とする、半導体レーザ駆動回路。
【請求項２】
前記緩和振動の発生は、前記光出力のデューティ比の演算で検知することを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ駆動回路。
【請求項３】
前記緩和振動の発生は、前記光出力の波形測定で検知することを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ駆動回路。
【請求項４】
半導体レーザと、前記半導体レーザにパルス状の駆動電流を供給するトランジスタと、前記パルス状の駆動電流が前記半導体レーザに供給されたときに、前記パルス状の駆動電流に同期して立ち上がり、微分状に減衰する電流を出力するコンデンサとを具備し、前記半導体レーザに前記パルス状の駆動電流に前記コンデンサの出力電流を重畳して供給することを特徴とする、半導体レーザ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緩和振動の影響を軽減し、半導体レーザを最適な高速パルスで駆動する半導体レーザ駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザから出力される光信号を用いる場合には、情報量の増大を図る見地から、パルス周波数を高くすることが要請されている。パルス周波数を高めるためには、半導体レーザの発振パルスの立ち上がり、立ち下がり時間を短縮する必要がある。発振パルスの立ち上がり時間を短縮するために、半導体レーザを駆動するトランジスタに高速な立ち上がり電流を注入すると、光出力には緩和振動が発生することが知られている。
【０００３】
図６は、緩和振動を説明する波形図である。図６（ａ）は半導体レーザを駆動する素子、例えばトランジスタのパルス状駆動電流を表す波形図、図６（ｂ）は半導体レーザの光出力を表す波形図である。図６（ｂ）に示されているように、半導体レーザの駆動電流を時刻ｔ１で高速に立ち上げると、半導体レーザからの光出力は、駆動電流の立ち上がりに即座に追従することはできない。遅延時間Ｔｘ後の時刻ｔ２で光出力が立ち上がり、緩和振動Ｖｐが発生する。
【０００４】
このような緩和振動は、半導体レーザの周波数応答特性と相関関係があるものとされている。図７は、半導体レーザの周波数応答特性を示す特性図である。図７において、横軸は周波数ｆ、縦軸は応答Ｒである。周波数応答特性Ｆａにおいて、基準周波数の強度から３ｄｂ減衰する周波数ｆｃが遮断周波数、ピーク値の周波数が緩和振動周波数である。周波数応答特性がＦｂ、Ｆｃと変化すると、遮断周波数や緩和振動周波数も変化する。
【０００５】
周波数応答特性は、温度の変化や半導体レーザの劣化により変動する。このため、半導体レーザの高速パルス駆動において、ある条件下で緩和振動が観測される場合がある。この緩和振動が誘発されるとオ−バーシュートが発生し、また、半導体レーザのパルス駆動において光出力のパルス幅が狭くなり、デューティ比が緩和振動の無い場合と比べて変化してしまうことになる。したがって、高速な変調駆動が必要なアプリケーションでは、緩和振動が発生するとシステムが成り立たなくなる場合が発生する、という問題がある。
【０００６】
このような緩和振動の影響を軽減するために、特許文献１には、半導体レーザの駆動ラインに負荷抵抗を付加して、立ち上がり時間を遅くすることが記載されている。また、特許文献２には、波形整形回路を用いて、立ち上がり時間を遅延させ緩和振動の発生を防止することが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平４−２６７３８４号
【特許文献２】特開２００３−５１６３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１、特許文献２に記載の技術は、予め立ち上がり時間を遅延させる手段を設けておくものである。このため、半導体レーザの駆動中に、半導体レーザの特性変化により緩和振動が発生してもそれに対応できない、という問題があった。また、立ち上がり時間を微妙にコントロールすることができないので、半導体レーザを最適な高速パルスで駆動することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は上記のような問題に鑑み、緩和振動の影響を軽減し、半導体レーザを最適な高速パルスで駆動する半導体レーザ駆動回路の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザと、立ち上がり特性が異なる複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタから前記半導体レーザにパルス状の駆動電流を供給するトランジスタを選択する手段と、前記半導体レーザの光出力を検出する手段と、前記光出力に発生した緩和振動を検知する手段と、前記緩和振動を検知した際に前記トランジスタの選択を切り替える信号を出力する制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ駆動回路は、前記緩和振動の発生は、前記光出力のデューティ比の演算で検知することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ駆動回路は、前記緩和振動の発生は、前記光出力の波形測定で検知することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の実施形態にかかる半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザと、前記半導体レーザにパルス状の駆動電流を供給するトランジスタと、前記パルス状の駆動電流が前記半導体レーザに供給されたときに、前記パルス状の駆動電流に同期して立ち上がり、微分状に減衰する電流を出力するコンデンサとを具備し、前記半導体レーザに前記パルス状の駆動電流に前記コンデンサの出力電流を重畳して供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ駆動回路においては、緩和振動が発生しない境界のトランジスタで絶えず駆動することにより、半導体レーザの光出力は安定した波形が得られ、デューティ比も所望のものが得られる。また、本発明の第２の実施形態にかかる半導体レーザ駆動回路においては、半導体レーザの駆動電流の立ち上がりに同期してＡＣカップリングコンデンサの微分電流を重畳しているので、緩和振動の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図に基づいて本発明の実施形態について説明する。図３は本発明の全体構成を示すブロック図である。図３において、１は半導体レーザ（ＬＤ）２を駆動するＬＤドライバ（半導体レーザ駆動回路）である。半導体レーザ２の光出力３はビームスプリッタ（ＢＳ）４で分岐されて、フォトダイオード（ＰＤ）５により検出され電気信号に変換される。
【００１６】
フォトダイオード（ＰＤ）５の出力信号は、アンプ６で増幅され、パルス幅検知回路７、パルス周期検知回路８に入力される。パルス幅検知回路７、パルス周期検知回路８の作用については図２で説明する。パルス幅検知回路７、パルス周期検知回路８の出力信号はマイクロコントローラ・ユニット（ＭＣＵ）９に入力される。
【００１７】
マイクロコントローラ・ユニット（ＭＣＵ）９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、パルス幅変調器（ＰＷＭ）などの複合部品で構成されている。ＭＣＵ９の出力信号は、ＤＡ変換器１０を通してＬＤドライバ１に入力される。この制御系１１はＡＰＣフィードバック制御系を形成しており、半導体レーザ２の光出力の強度を制御する。また、ＭＣＵ９の出力信号がＬＤドライバ１に入力される別の制御系１２は、半導体レーザの緩和振動の影響を軽減するための制御系である。
【００１８】
図２は、本発明の基本原理を説明する特性図である。図２において、（ａ）は半導体レーザを駆動するためのバイアス信号Ｂの波形である。（ｂ）は半導体レーザを駆動するトランジスタのパルス信号Ｅの波形、（ｃ）は半導体レーザ駆動電流の波形である。図２（ａ）〜（ｃ）に示されているように、半導体レーザを駆動する際には、先に（ａ）のバイアス信号Ｂを発生させておき、このバイアス信号Ｂに（ｂ）のパルス信号Ｅを重畳している。
【００１９】
図２（ｄ）〜（ｆ）は、半導体レーザの光出力の波形を示している。図２（ｄ）は正常な状態の光出力の波形で、（ｃ）の半導体レーザ駆動電流とパルス幅が同期して立ち上がり、また立ち下がっている。（ｅ）は、前記のように緩和振動Ｖｐが発生しているときの光出力の波形である。（ｆ）は、本発明により緩和振動の影響を軽減した光出力の波形である。緩和振動が発生しているときには、前記のように駆動トランジスタの高速な立ち上がりに半導体レーザの光出力が追従できず、遅延時間が生じてパルス幅が正常状態よりも狭くなる。したがって、デューティ比が正常なものとは相違することになる。このような特性の変化は、半導体レーザの劣化や温度上昇した際にも発生する。半導体レーザが劣化した場合には、図７で説明した周波数応答特性は周波数が低い側に（例えばＦａからＦｂに）変化する。
【００２０】
本発明においては、このような緩和振動発生時の光出力のパルス幅が狭くなり、デューティ比が変化することに着目して、緩和振動の影響を軽減するように半導体レーザを駆動している。光出力のデューティ比は、図２（ｆ）のＴｂ／Ｔａで求められる。したがって、図３のパルス幅検知回路７、パルス周期検知回路８の検知信号により、ＭＣＵ９の演算で光出力のデューティ比を求めることができる。デューティ比が正常値よりも低下した場合には、半導体レーザの光出力に緩和振動が発生したものとして、ＭＣＵ９の制御により図１で説明する緩和振動の軽減を行う。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態の回路図である。図１においては図３のＬＤドライバ（半導体レーザ駆動回路）１の具体例を示している。図１において、端子Ｐ１は図２（ｂ）のパルス信号Ｅを発生させる制御信号が供給される端子、端子Ｐ２は図２（ａ）のバイアス信号Ｂを発生させる制御信号が供給される端子である。これらの制御信号は、図３のＭＣＵ９から供給する構成とすることができる。
【００２２】
Ｒ１は接地とＡＭＰ１の非反転入力端子間に接続される入力抵抗、Ｒ２は接地とＡＭＰ１の反転入力端子間に接続される基準電圧設定用の抵抗である。端子Ｐ２に制御信号を供給してスイッチＳ２をオンにすると、定電流源Ｉａの電流がアンプ（ＡＭＰ１）を通してトランジスタＴｒ３のベースに供給され、トランジスタＴｒ３が導通する。
【００２３】
このときに、トランジスタＴｒ１には電流Ｉ２が流れる。トランジスタＴｒ１に流れる電流Ｉ２は、図２（ａ）のバイアス信号Ｂに相当する。トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２はカレントミラー回路を形成している。このため、トランジスタＴｒ１に流れる電流Ｉ２は、複製されてトランジスタＴｒ２にも流れ、半導体レーザ２にバイアス信号Ｂが供給される。
【００２４】
端子Ｐ３〜Ｐ５は、それぞれスイッチＳ３〜Ｓ５をオン、オフする制御信号が供給される端子である。これらの制御信号も図３のＭＣＵ９から供給する構成とすることができる。Ｔｒ４は立ち上がり特性が高速の特性を有するトランジスタ、Ｔｒ５は立ち上がり特性が中間の速度であるトランジスタ、Ｔｒ６は立ち上がり特性が低速の特性を有するトランジスタである。Ｒ３は接地とＡＭＰ２の非反転入力端子間に接続される入力抵抗、Ｒ４は接地とＡＭＰ２の反転入力端子間に接続される基準電圧設定用の抵抗である。端子Ｐ３に制御信号を供給してスイッチＳ３をオンにし、他のスイッチＳ４、Ｓ５がオフであるとする。
【００２５】
この状態で端子Ｐ１に制御信号を供給してスイッチＳ１をオンにすると、定電流源Ｉｂの電流がアンプ（ＡＭＰ２）を通してトランジスタＴｒ４のベースに供給され、トランジスタＴｒ４が導通する。このときに、トランジスタＴｒ１には電流Ｉ３が流れる。スイッチＳ１のオン、オフを繰り返すときにトランジスタＴｒ１には、図２（ｂ）のパルス信号Ｅに相当する電流Ｉ３が流れる。この電流Ｉ３は、前記のようにトランジスタＴｒ１とカレントミラー回路を形成しているトランジスタＴｒ２にも流れ、半導体レーザ２にはＩ１＝Ｉ２＋Ｉ３、の駆動電流、すなわち、図２（ｃ）のバイアス信号Ｂとパルス信号Ｅが重畳された半導体レーザ駆動電流が流れる。
【００２６】
パルス幅検知回路７、パルス周期検知回路８の検知信号により、レーザ動作時の光出力のデューティ比はＭＣＵ９で常時演算されている。緩和振動が発生して正常状態よりもデューティ比が小さくなると、ＭＣＵ９はＬＤドライバ１に信号を送り、図１のスイッチＳ３をオフ、Ｓ４をオンにする。したがって、半導体レーザの駆動トランジスタは、立ち上がり特性が高速なトランジスタＴｒ４から、立ち上がり特性が中速であるトランジスタＴｒ５に接続が切り替えられる。このように、ＭＣＵ９は請求項１に記載の「緩和振動を検知した際にトランジスタの選択を切り替える信号を出力する制御手段」として機能する。
【００２７】
トランジスタＴｒ５の立ち上がり特性は、図２（ｆ）に示すように光出力の立ち上がり特性が追従できる程度としている。このため、緩和振動はＶｐ'に軽減され、デューティ比は通常状態に復帰する。温度変化や半導体レーザの劣化の進行などにより、トランジスタＴｒ５により半導体レーザを駆動している場合に光出力に緩和振動が発生した場合には、ＭＣＵ９はＬＤドライバ１に信号を送り、図１のスイッチＳ４をオフ、Ｓ５をオンにする。したがって、半導体レーザの駆動トランジスタは、立ち上がり特性が中速なトランジスタＴｒ５から立ち上がり特性が低速であるトランジスタＴｒ６に接続が切り替えられる。
【００２８】
このように、本発明の第１の実施形態においては、半導体レーザの動作中に光出力のデューティ比を監視して、緩和振動の発生を検出した場合には、半導体レーザの駆動トランジスタを立ち上がり特性が異なるトランジスタに切り替えている。前記特許文献１、特許文献２に記載の技術では、半導体レーザの劣化や温度変化に起因する特性変化で緩和振動が発生した場合には対応できないという問題がある。これに対して、本発明の第１の実施形態では、前記半導体レーザの劣化や温度変化などの実際の動作環境に応じて発生する緩和振動の影響を軽減させることが可能となる。
【００２９】
また、前記特許文献１、特許文献２に記載の技術では予め立ち上がり特性を遅延させる手段を設けて半導体レーザを動作させているので、半導体レーザの立ち上がり特性が固定されておりコントロールすることができない。このため、前記のように最適な高速パルス駆動ができないという問題がある。これに対して、本発明の第１の実施形態では、緩和振動が発生したことを検出した場合には、立ち上がり特性が異なるトランジスタに切り替えて半導体レーザを動作させるので、最適な高速パルス駆動駆動を行うことができる。
【００３０】
図１の例で、立ち上がり特性が高速なトランジスタＴｒ４から立ち上がり特性が中速なトランジスタＴｒ５に切り替えた際に、半導体レーザの温度低下によりトランジスタＴｒ４を動作させても緩和振動が発生しない特性に復帰した場合には、再度トランジスタＴｒ４を動作させることが可能である。しかしながら、半導体レーザの劣化の進行や故障の発生などで特性が回復しない場合には、トランジスタＴｒ４の再利用は行わない。
【００３１】
なお、緩和振動を検出する際に、図３の例では光出力のデューティ比を検出しているが、本発明はこのような構成には限定されない。例えば図３のフォトダイオード５の出力側にサンプリングオシロスコープのような波形測定器を接続して、半導体レーザの光出力を監視する構成とすることもできる。この場合には、緩和振動の発生は波形変化を観察することにより判断できる。
【００３２】
図４は本発明の異なる実施形態を示す回路図、図５は図４の構成の特性図である。図４において図１と同じところには同一の符号を付しており、重複を避けるため説明は省略し、図１と異なるところを説明する。なお、図１のスイッチＳ１、Ｓ２は図示を省略しているが、図４の例でも、図２（ａ）のバイアス信号Ｂや図２（ｂ）のパルス信号Ｅは同様に発生させている。図４の半導体レーザ駆動回路１'の例では、前記カレントミラー回路を多連出力形で構成し、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２の他にトランジスタＴｒａを接続する。
【００３３】
端子Ｐ６に入力される制御信号で開閉されるスイッチＳ６と、コンデンサＣａの直列回路を、トランジスタＴｒａとトランジスタＴｒ２のコレクタ間に接続する。コンデンサＣａは、ＡＣカップリングを構成している。この例では、半導体レーザ２を駆動するトランジスタＴｒａは固定されている。
【００３４】
図５（ａ）は、前記ＡＣカップリングのコンデンサＣａの特性を説明するものである。パルス状の電流が流れると、コンデンサＣａの出力電流はパルス状の電流と同期して立ち上がりピ−ク値から減衰して微分状に変化する。ここで、スイッチＳ６をオンにしてトランジスタＴｒａを導通させるものとする。この場合には、半導体レーザ２には、図５（ｂ）に示すようなトランジスタＴｒａの立ち上がり特性に応じたパルス状の波形の立ち上がり部分に、コンデンサＣａの微分状の出力電流が重畳されることになる。すなわち、半導体レーザの駆動電流の立ち上がり特性を高速にする作用が得られる。
【００３５】
図４の例では、半導体レーザ駆動回路に、立ち上がり特性が高速なトランジスタを用いることなく、それと同等な特性が得られることになる。したがって、立ち上がり特性が高速なトランジスタを用いる際の緩和振動の発生を防止することができる。なお、図４のＡＣカップリングのコンデンサＣａ、トランジスタＴｒａを用いた回路と、図１のレーザ２を駆動するトランジスタＴｒ４〜Ｔｒ６の切り替え回路とを併用する構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば緩和振動の影響を軽減し、半導体レーザを最適な高速パルスで駆動する半導体レーザ駆動回路が得られる。なお、この半導体レーザ駆動回路は、例えば、ブルーレイなどの光ストレージや光通信などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図３の半導体レーザ駆動回路の具体例を示す回路図である。
【図２】本発明の基本原理を説明する特性図である。
【図３】本発明の全体構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る構成を示す回路図である。
【図５】図４の構成の特性図である。
【図６】緩和振動を説明する波形図である。
【図７】半導体レーザの周波数応答特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・半導体レーザ駆動回路、２・・・半導体レーザ、３・・・光出力、４・・・ビームスプリッタ、５・・・フォトダイオード、６・・・アンプ、７・・・パルス幅検知回路、８・・・パルス周期検知回路、９・・・マイクロコントローラ・ユニット、１０・・・ＤＡ変換器、１１・・・ＡＰＣフィードバック制御系、１２・・・緩和振動の影響を軽減するための制御系、Ｔｒ４〜Ｔｒ６、Ｔｒａ・・・半導体レーザ駆動トランジスタ、Ｃａ・・・ＡＣカップリングのコンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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